CC BY
68
DOI: 10.23868/202004016
эпикард как новая мишень для регенеративных технологий в кардиологии
К.В. Дергилев1, А.В. Комова1, З.И. Цоколаева1,2, И.Б. Белоглазова1,
ЕВ ПаРфенова1, 3 Поступила: 16.04.2020
1 Институт экспериментальной кардиологии Национального Принята к печати: 01.°5.202° медицинского исследовательского центра кардиологии, ^бшкш^ on-line-. 06.05.2020 Москва, Россия
2 Научно-исследовательский институт общей реаниматологии им. В.А. Неговского Федерального научно-клинического центра реаниматологии и реабилитологии, Москва, Россия
3 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
epicardium as a new target for regenerative technologies in cardiology
K.V. Dergilev1, A.V. Komova1, Z.I. Tsokolaeva1, 2, I.B. Beloglazova1, Ye.V. Parfyonova 1 3
1 Institute of Experimental Cardiology, National Medical Research Center for Cardiology, Moscow, Russia
2 V.A. Negovsky Research Institute of General Reanimatology, Federal Scientific and Clinical Center of Reanimatology and Rehabilitation, Moscow, Russia
3 M.V. Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia
e-mail: doctorkote@gmail.com
Клетки эпикарда принимают активное участие в эмбриональном развитии сердца и его репарации при повреждении, что позволяет рассматривать их в качестве потенциальной мишени для лечения ряда заболеваний сердца. В связи с этим изучение механизмов гистогенеза, компонентов микроокружения, а также сигналов, регулирующих поведение эпикардиальных клеток-предшественниц, является важнейшей задачей современной кардиологии. В обзоре рассмотрены результаты последних исследований в области изучения гомеостаза клеток эпикарда и технологические достижения, позволяющие модулировать их активность, что крайне необходимо для разработки новых средств терапевтического воздействия.
Ключевые слова: эпикард, гистогенез эпикарда, регенерация сердца, васкуляризация, клетка-предшественница эпикарда.
Epicardium is actively involved in the embryonic heart development and its repair after injury, which allows it to be considered as a potential target for the treatment of heart diseases. In this regard, the study of the mechanisms of its development, the components of the microenvironment, as well as the signals regulating the behavior of epicardial progenitor cells, is the most important area of modern cardiology. This review considers the results of recent studies of homeostasis of epicardial cells and technological advances to modulate their activity, which is essential for the development of new therapeutic agents.
Keywords: epicardium, epicardial development, heart regeneration, vascularization, epicardial progenitor cells.
Введение
Процессы репаративной регенерации клеток сердца, хорошо выраженные у низших позвоночных (игоСе^ (хвостатые амфибии), teleosts (костистые рыбы)), крайне слабо реализуются в сердце млекопитающих, что не позволяет ему восстанавливаться при обширных повреждениях и лежит в основе многих кардиологических заболеваний, вносящих существенный вклад в структуру смертности развитых стран. Современная медицина не имеет в своем арсенале средств, позволяющих восстановить утраченные в результате патологических процессов кардиомиоциты. Решение этой проблемы лежит в области раскрытия механизмов ограниченного регенеративного потенциала сердца и создания на этой основе новых технологий, обеспечивающих стимуляцию эндогенных регенеративных процессов в миокарде. За последние двадцать лет произошли изменения во взглядах на их механизмы. Первоначальные представления о ведущей роли клеток костного мозга в восстановлении сердца после повреждения за счет их дифференцировки в клетки миокарда, прежде всего, кардиомиоциты, не получили подтверждения в дальнейших экспериментальных работах [1], а довольно многочисленные клинические исследования по трансплантации разных типов прогениторных клеток, в основном, клеток костного мозга, не показали ожидаемой эффективности в плане восстановления функции сердца [2]. Дальнейшие исследования с резидентными прогениторными клетками сердца, хотя
и оказались более эффективными на экспериментальном этапе [3-5], не продемонстрировали существенного повышения эффективности в восстановлении функции сердца по сравнению с клетками костного мозга в клинических работах [6]. К тому же, не подтвердилась и физиологически значимая дифференци-ровка этих клеток в кардиомиоциты [7, 8]. Указанный факт породил значительный скептицизм в отношении клеточной терапии заболеваний сердца среди кардиологов [9]. С другой стороны, интенсивные фундаментальные исследования, проводимые в последнее десятилетие, позволили пролить свет на молекулярные и клеточные механизмы онтогенеза сердца и его репарации после повреждения, которые обозначили новые мишени для терапевтического воздействия, направленного на восстановление поврежденного миокарда. В этом направлении особый интерес представляют исследования роли эпикарда в развитии сердца и его восстановлении после патологического воздействия, и возможности влияния на эпикард с целью стимуляции процессов репаративной регенерации.
Несмотря на практически 100-летнюю историю изучения эпикарда — наружного, плотно примыкающего к миокарду слоя сердечной стенки, образованного преимущественно эпителиоподобными клетками мезотелия [10], именно в последние десятилетия были получены данные, свидетельствующие о его роли в репаративных процессах, что позволило рассматривать эпикард в качестве перспективной мишени для воздействий на эти процессы.
Проэпикард
Неактивный эпикард
Активированный эпикард Субэпикардиальный слой
Эпителио-мезенхимный переход
i. л 'J
Рис. 1. Формирование производных проэпикарда в период развития сердца эмбриона: 1 — кардиомиоциты; 2 — фибробласты; 3 — эндотелиоциты; 4 — гладкомышечные клетки; 5 — факторы роста; * — эпикардиальная клетка-предшественница
Образование эпикарда и его роль в процессе эмбрионального развития сердца
В процессе эмбрионального развития эпикард формируется из проэпикарда — временной структуры, возникающей из латеральной пластинки мезодермы в непосредственной близости от сердечной трубки (рис. 1). Он образуется в виде многослойного серозного выступа на вентральной стороне sinus venosus у птиц и в непосредственной близости от septum transversum у млекопитающих. По форме проэпикард сравнивают с цветной капустой, которая снаружи имеет эпителиальную выстилку, а внутри состоит из недифференцированных мезенхимных клеток [11, 12]. Описано два механизма, посредством которых клетки проэпикарда (эпителий целомического гистогенетического типа) мигрируют на поверхность формирующегося сердца. У птиц и земноводных миграция этих клеток происходит за счет образования содержащего гепарансульфат и фибронектин мостика между проэпикардом и эмбриональным сердцем [13]. В случае млекопитающих и рыб формирование мостика миграции не происходит, а клетки отделяются от проэпикарда и взаимодействуют с поверхностью формирующегося сердца, покрывая его. Перераспределение клеток проэпикарда полностью заканчивается к концу 5 недели развития человека.
После миграции на поверхность эмбрионального сердца клетки проэпикарда прикрепляются
и распространяются по ней, окутывая первичный желудочек, первичное предсердие и артериальный ствол сплошным клеточным слоем. В этом процессе важным является участие белков клеточной адгезии (Ephrin B, Vascular cell adhesion molecule-1 и интегринов) [1417] и факторов, определяющих апикально-базальную полярность эпикардиальных клеток — PAR3 [18] и CDC42 [19]. Эпикард играет значимую роль в формировании сердца плода, так как нарушения в образовании эпикардиального слоя приводят к серьезным дефектам развития миокарда, коронарных артерий, проводящей системы сердца и его клапанов [20-24] (см. рис. 1). В основе этих дефектов лежит нарушение процесса формирования так называемых прогенитор-ных клеток эпикарда (ПКЭ) [25], которые образуются из клеток проэпикарда на поверхности формирующегося сердца путем т. н. эпителиально-мезенхимной трансформации (ЭМТ), в результате которой ПКЭ приобретают мезенхимный фенотип, с выраженными про-миграторными свойствами [26, 27]. Эти клетки мигрируют в субэпикардиальный слой, а часть их и в более глубокие слои миокарда, где дифференцируются in situ в основные виды клеток миокарда. Этот важный для развития сердца процесс регулируется во времени и пространстве комплексом различных сигналов. Так, интенсивность миграции клеток в миокард напрямую зависит от интенсивности деления клеток эпикарда
4
1
и ориентации веретена деления [28]. В случае, если митотическое веретено расположено перпендикулярно базальной мембране, то одна клетка остается в эпикарде, а другая выходит из эпикардиального слоя и трансформируется в ПКЭ [28]. Нарушение такой ориентации, например, при подавлении экспрессии р-катенина в эпикардиальных клетках, приводило к нарушению их выхода из эпикарда [28]. Дальнейшая миграция клеток в субэпикардиальное пространство и далее в миокард регулируется воздействием тром-боцитарного фактора роста PDGF, а также сигналов из развивающегося миокарда: TGFp (Transforming Growth Factor p), тимозина p4, ретиноевой кислоты [29-33]. Регуляторное действие всех этих сигналов приводит к активации факторов транскрипции, подавлению межклеточной адгезии, нарушению апикальной полярности, активации ЭМТ и приобретению ПКЭ промиграционного фенотипа. Серия первоначальных исследований, проведенных на куриных эмбрионах, показала участие ПКЭ в формировании гладкомышечных клеток коронарных сосудов [33-35], периваскулярных фибробластов и перицитов [34, 35], мезенхимных клеток зачатков будущих клапанов сердца [27], интерстициальных фибробластов и части клеток эндокарда [34]. В более поздних исследованиях с использованием трансгенных мышей и современных методов прослеживания происхождения и «судьбы» клеток (Cre Lox рекомбинации) удалось исследовать направления развития ПКЭ. Благодаря использованию этих технологий и различных маркеров клеток эпикарда (Gata5, Tbx18 и Wt1) [29, 36, 37] было подтверждено участие ПКЭ в формировании клеток коронарных сосудов, периваскулярных и интерстици-альных фибробластов, а также мезенхимы клапанов сердца [21, 38] у млекопитающих. Более того, были описаны механизмы, управляющие переключением с одного фенотипа клеток на другой. Так, экспрессия транскрипционного фактора TCF21 подавляла образование из ПКЭ гладкомышечных клеток сосудов и запускала их дифференцировку в направлении фибробла-стов [39, 40]. Особое внимание привлекало изучение возможности формирования кардиомиоцитов из клеток эпикарда в процессе развития. Первоначальные исследования на модели резекции верхушки сердца у полосатой рыбки Danio rerio выявили аккумуляцию клеток эпикарда в области повреждения и их диф-ференцировку в васкулогенные клетки, образующие сосудистые сплетения, однако формирования новых кардомиоцитов из эпикардиальных клеток обнаружено не было. В то же время, в последующих работах с использованием трансгенных мышей с генетическими метками, была установлена возможность формирования кардиомиоцитов межжелудочковой перегородки, предсердий и желудочков из клеток эпикарда [36, 41]. Однако, эти исследования были выполнены с использованием таких маркеров эпикар-диальных клеток, как Tbx18 и Wt1, которые могут самостоятельно присутствовать на кардиомиоцитах левого желудочка и межжелудочковой перегородки [42], что ставит под сомнение результаты этих работ и диктует необходимость проведения дополнительных детальных исследований.
Не менее спорной остается ситуация с образованием эндотелиальных клеток из эмбрионального эпикарда. Первоначальные исследования c химерными цыплятами документально подтвердили эпикарди-альное происхождение части эндотелиальных клеток коронарных сосудов [21]. Однако, более поздние
исследования с использованием системы Ore Lox для прослеживания происхождения клеток, показали, что большинство клеток эндотелия коронарных артерий развиваются из венозного синуса или эндокарда [43, 44]. Необходимо отметить, что результаты исследований варьировали в зависимости от используемых маркеров клеток эпикарда. Так, при использовании Tbx18, Gata5 и Tcf21 в качестве эпикардиальных маркеров не было обнаружено вклада клеток эпикарда в формирование эндотелиальных клеток коронарных сосудов. В то же время оказалось, что Wt1 + клетки эпикарда были задействованы в формировании небольшой популяции эндотелиальных клеток [28, 36, 40]. В другой работе показана возможность образования эндотели-альных клеток сосудов из клеток эпикарда, несущих на своей поверхности такие маркеры, как Scleraxis (Scx) и Semaphorin3D (Sema3D). Исследователи считают, что наряду с гладкомышечными клетками и фибробла-стами, эндотелий артериальных и венозных сосудов сердца (до 24%) имеет эпикардиальное происхождение [45]. Возможность интерпретации получаемых результатов затрудняется и тем обстоятельством, что эмбриональный эпикард участвует в формировании венозного синуса и эндокарда, которые, как известно, являются важными источниками клеток формирующихся коронарных сосудов. В связи с этим истинный вклад каждого из источников (венозного синуса, эндокарда и эпикарда) в формирование коронарных сосудов еще предстоит выяснить. Таким образом, клетки эпикарда оказывают существенное влияние на развитие сердца путем прямого вклада в клеточный состав миокарда, прежде всего в гладкомышечные клетки коронарных сосудов, перициты и фибробласты, хотя полный дифференцировочный потенциал клеток эмбрионального эпикарда до конца не ясен.
Не менее важным механизмом влияния эмбрионального эпикарда на формирование сердца является секреторная активность его клеток. Как только эпикард покрывает развивающееся сердце, его клетки начинают продуцировать паракринные факторы, поддерживающие рост миокарда [42, 46]. Эти факторы обеспечивают необходимый обмен сигналами между миокардом и эпикардом, что критически важно для развития коронарных сосудов [47], роста и дифференцировки клеток миокарда [48]. Среди этих факторов наиболее значимыми являются факторы роста фибробластов (Fibroblast Growth Factor, FGF), значительная часть которых секретируется клетками эпикарда и обеспечивает нормальное формирование миокарда, клетки которого несут рецепторы к этим факторам [49-51]. Подавление экспрессии только одного из этих факторов FGF9 в клетках эпикарда или рецепторов к нему на эмбриональных кар-диомиоцитах, блокирует пролиферацию кардиомиоцитов и приводит к эмбриональной летальности [49]. Другие продуцируемые эпикардом факторы, такие как фактор стромальных клеток-1 (Stromal Cell-derived Factor, sDf-1 или OXOL12) [52] и белки-сигналов Hedgehog, передающие информацию эмбриональным клеткам, необходимую для правильной дифференцировки [50, 53] и OXOL12 [52], также вовлечены в морфогенез миокарда и развитие коронарных сосудов.
Участие эпикарда в репаративных процессах в сердце
Начиная со второй половины внутриутробного развития плода клетки эпикардиального мезотелия постепенно утрачивают способность к пролиферации
Неактивный эпикард
Эпителио-мезенхимный переход
Активированный эпикард
Субэпикардиальный слой
Рис. 2. Схема механизмов участия эпикарда в репарации сердца после инфаркта миокарда: 1 — кардиомиоциты; 2 — «прогениторные клетки сердца»; 3 — фибробласты; 4 — эндотелиоциты; 5 — гладкомышечные клетки; 6 — факторы роста; * — эпикардиальная клетка-предшественница
и превращаются в слой покоящихся клеток эпикарда и остаются в этом состоянии в постнатальном сердце [54]. Однако при остром ишемическом повреждении миокарда в клетках эпикарда частично реактивируется эмбриональная программа экспрессии генов ^и, Па№2 и ТЬх18) [55-57], что ведет к запуску пролиферации эпикардиальных клеток, которые вступают в эпителиально-мезенхимальный переход и формируют прогениторные клетки эпикарда, мигрирующие в субэпи-кардиальные слои миокарда [58, 59] (рис. 2).
Использование различных методов маркирования клеток эпикарда показало, что они обнаруживаются в подлежащем миокарде и на 7 и на 21 день после инфаркта [60]. В субэпикардиальной области ПКЭ могут дифференцироваться в миофибробласты [61] и гладко-мышечные клетки сосудов [55, 62-65]. Что касается дифференцировки ПКЭ в эндотелиальные клетки и кар-диомиоциты во взрослом сердце животных, то данные о них весьма противоречивы [60, 66]. Показано, что активация клеток эпикарда в поврежденном взрослом сердце сопровождается их трансформацией с образованием прогениторных клеток, несущих на своей поверхности рецепторы с-кй к фактору стволовых клеток и аккумулирующихся в субэпикардиальной области [56, 67]. Другая группа исследователей используя Сге 1_ох технологию не обнаруживала «превращения» клеток эпикарда в другие клетки сердца. В частности, было показано, что стимуляция ангиогенеза после инфаркта миокарда в сердце мыши происходит исключительно за счет паракринных эффектов, а не за счет новообразованных клеток сосудов. Это позволило авторам высказать утверждение о том, что пул эпикардиальных
клеток после повреждения становится источником сигнальных молекул, способствующих регенерации. Так, у Danio rerio активированный эпикард продуцирует ретиноевую кислоту, которая контролирует пролиферацию кардиомиоцитов и восстановление миокарда после травмы [68]. Роль эпикардиальных сигналов, стимулирующих регенеративные процессы в сердце, недавно была продемонстрирована у млекопитающих, в том числе у человека. Результаты исследований in vitro и in vivo показали, что появившиеся после инфаркта ПКЭ продуцировали большие количества VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) и FGF2, которые способствовали репа-ративному ангиогенезу [55]. В том же исследовании интрамиокардиальные инъекции кондиционированной среды ПКЭ уменьшали размер инфаркта и улучшали показатели систолической функции сердца. Это указывает на эпикард, как на перспективную мишень для воздействий, направленных на стимуляцию репаративной регенерации миокарда. В настоящее время получены данные, указывающие на возможность активации клеток эпикарда с помощью различных биологических стимулов, таких как тимозин р4 [31], фактор стволовых клеток [67], прокинетицины [68], модифицированная РНК, кодирующая белок VEGFA [65]. Значительную стимуляцию активации эпикарда при повреждении вызывает воздействие тимозина р4 (Tp4) — пептида, связывающего мономерный G-актин [69]. Tp4 оказывает плейотропное действие на сердце взрослого человека, способствующее активации клеток эпикарда, увеличению способности ПКЭ к миграции и дифферен-цировке [30, 64], подавлению апоптоза и выживанию кардиомиоцитов в зоне ишемии [70], а также снижению
воспалительного ответа [71]. Интраперитонеальные инъекции Tp4 перед моделированием инфаркта у мышей усиливали активацию эпикардиального пула клеток, что выражалось в появлении большего количества ПКЭ [72], формировании сосудов de novo [30,64] и образовании небольшого количества новых кардиомиоцитов. Однако, активация эпикарда Tp4 приводила к образованию ПКЭ, которые отличались от своего эмбрионального аналога [73]. ПКЭ, полученные из взрослых сердец после обработки Tp4 с последующим моделированием инфаркта, демонстрировали более гетерогенный фенотип, чем эмбриональные ПКЭ и характеризовались наличием большего количества клеток, несущих маркер прогениторных клеток Sca-1 + и клеток с мезенхимным фенотипом (CD90+, CD44+ и CD105+). Детальный анализ показал, что образующаяся при воздействии Tp4 субпопуляция Sca1 + Wt1 +CD44+CD90+ клеток эпикарда характеризуется наиболее высоким паттерном экспрессии генов эпикарда и сердечно-сосудистых предшественников, что позволяет их рассматривать как потенциальный «инструмент» для клеточной терапии [74, 75].
Было установлено, что клетки эпикарда продуцируют фоллистатин подобный белок (Fstl-1), который является важным регулятором репаративной регенерации миокарда. Продукция Fstl-1 сохраняется на высоком уровне в эмбриональном сердце, но практически полностью исчезает во взрослом органе. Однако в ответ на повреждение активированные клетки миокарда начинают продуцировать этот белок [75], что было выявлено при многих сердечно-сосудистых заболеваниях, включая острый коронарный синдром [76], хроническую сердечную недостаточность [77], сердечную недостаточность с сохраненной фракцией выброса [78].Гиперэкспрессии Fstl-1 путем внутривенной инъекции аденоассоциирован-ного вируса или рекомбинантного белка обеспечивала повышенную выживаемость кардиомиоцитов в зоне ишемии [79], стимулировало вступление кардиомио-цитов в клеточный цикл, уменьшала размер инфаркта на моделях ишемии-реперфузии у свиней и крыс [80]. Сходные репаративные эффекты были продемонстрированы после эпикардиальной имплантации коллагеновой мембраны, содержащей рекомбинантный Fstl-1, после инфаркта миокарда [81]. Эти эффекты были обусловлены активацией пролиферации кардиомиоцитов, неваскуляризацией и уменьшением постинфарктного фиброза, что связано с воздействием на DIP2A рецепторы и активацией PI3K/AKT, и MAPK сигнальных механизмов [87].
Таким образом, эпикард служит резервным «клеточным депо», которое способно реактивировать свой репа-ративный потенциал, характерный для эмбрионального периода, под влиянием различных стимулов. Это создает основу для разработки подходов таргетного воздействия на эпикард, направленного на модуляцию его активности с целью регуляции репаративных процессов.
Использование эпикарда в качестве мишени для терапевтического воздействия
Приведенные выше данные указывают на значимую роль эпикарда в качестве источника клеток и паракрин-ных сигналов, контролирующих как развитие сердца, так и его репарацию, что делает эпикард потенциальной мишенью для терапевтического воздействия. В широком понимании эпикард и субэпикардиальная область могут рассматриваться в качестве клеточной ниши сердца, которая включает стволовые и (или) прогениторные клетки (Sca-1+, c-kit+), клетки микроокружения (мезенхимные
стромальные клетки), компоненты матрикса (коллаген, фибронектин, ламинин), а также клетки-предшественницы гладкомышечных клеток и фибробластов. Это микроокружение находится в состоянии низкого парциального давления кислорода, поскольку эпикардиальная область характеризуются самой низкой плотностью капилляров по сравнению со всеми остальными слоями стенки сердца, что характерно для «клеточных ниш» других тканей. Возможно, именно ЭМП является механизмом формирования этой клеточной ниши, образуя исходную стволовую и (или) прогениторную клетку, которая преимущественно использует цитоплазматиче-ский гликолиз и противостоит гипоксическому стрессу. Вероятно, активация такого рода клеточной ниши после повреждения важна как в качестве источника клеток для обновления миокарда, так и источника паракринных репаративных сигналов.
Возникает резонный вопрос о возможности управлять активностью эпикардиальной клеточной ниши. Первым вариантом такого рода стимуляторов могут быть факторы, регулирующие клетки эпикарда на стадии формирующегося сердца, к которым относятся ретиноевая кислота, TGFp, PDGFbb (Platelet-derived Growth Factor bb), bFGF и др. Важным источником таких биологически активных компонентов, регулирующих активность эпикарда, является перикардиальная жидкость. Показано, что она содержит трофические стимулы, активирующие эпикардиальные клетки после повреждения [56], что было продемонстрировано в различных моделях. Так, перикардиальная жидкость пациентов с ишемической болезнью сердца стимулировала рост и выживание кардиомиоцитов [80], эндотелиальных и гладкомышечных клеток сосудов [81, 82]. Воздействие на эпикард возможно и при введении в полость перикарда биологически активных соединений, таких как тимозин-р4. Вследствие низкой скорости обновления жидкости перикарда, они могут длительно оказывать терапевтическое воздействие. В полость перикарда могут быть также введены экзосомы и микровезикулы, которые участвуют в регуляции ЭМП [83, 84], а также в развитии сердца [85, 86] и его репарации [87].
Другим подходом к активационному воздействию на эпикард является эпикардиальная трансплантация тканеинженерных конструкций, своеобразных клеточных заплаток или клеточных пластов (cell sheet), которые могут контактно и паракринно взаимодействовать с клетками эпикарда и активировать их репаративный потенциал.
В лабораторных условиях (собственные данные) на модели инфаркта миокарда у крысы (рис. 3) получены данные об активации эпикарда и репаративных эффектах эпикардиальной трансплантации клеточных пластов, образованных прогениторными клетками сердца, мезенхимальными стромальнымим клетками жировой ткани, в том числе гиперпродуцирующими фактор стволовых клеток [4, 88, 89]. Выполнимость и безопасность эпикардиальной трансплантации подобных конструкций во время АКШ продемонстрирована и у пациентов с тяжелой постинфарктной сердечной недостаточностью, что открывает перспективы трансляции этой технологии в клинические исследования [90].
Другим перспективным направлением исследований может быть использование клеток эпикарда в качестве платформы для генетического репрограммирования. Это может быть выполнено с помощью введения в полость перикарда или эпи- субэпикардиальную зону вирусных векторов, вызывающих трансдифференцировку клеток эпикардиального микроокружения в кардиомиоциты и (или) клетки сосудов (перициты, эндотелиальные
1
2
А
Б
Рис. 3. Активация эпикардиальной «клеточной ниши» после трансплантации пластов МСК, гиперэкспрессирующих фактор стволовых клеток БСР, на область инфаркта: А — схема трансплантации пласта МСК на область эпикарда и последующей активации эпикардиальных клеток-предшественниц; Б — срез миокарда после трансплантации пласта МСК в составе трансплантированной конструкции (помечены витальным флуоресцентным красителем красного цвета, РКН26); иммунофлюоресцентная реакция к белку активированного эпикарда Wt1 (зеленый); докраска ядер — йДР!. 1 — клеточный пласт; 2 — факторы роста и везикулы; * — эпикардиальная клетка-предшественница
и гладкомышечные клетки) в рубцовой ткани. Использование клеток эпикарда, обладающих возможностью дифференцировки в нескольких направлениях, может решить ряд вопросов и, вероятно, существенно повысить эффективность репарации. Учитывая, что для запуска перепрограммирования требуется активировать переход дифференцированной клетки в более низкодифференцированное состояние, то возможным направлением исследований в данной области может быть использование соединений, которые оказывают влияние на эпигенетические состояние клеток [91].
Перспективным может быть использование ткане-инженерных конструкций на основе эпикардиальных клеток, полученные в результате дифференцировки эмбриональных стволовых клеток или индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК). Учитывая паракринную активность клеток эпикарда, благоприятно влияющую на кардиомиоциты, рационально их использовать при создании комбинированных конструкций из клеточных пластов вместе с кардиомиоцитами, получаемыми также из ИПСК. Показано, что эпикардиальные клетки в составе комбинированных конструкций заметно улучшают выживаемость, организацию миофибрилл и сократительную способность кардиомиоцитов. Трансплантация таких конструкций после инфаркта более эффективно восстанавливала систолическую функцию сердца в сравнении с трансплантацией клеточных пластов на основе одного вида клеток [92].
заключение
Таким образом, результаты исследований последних лет указывают на эпикард, как на новую перспективную мишень для терапевтических воздействий, направленных на регуляцию ангиогенеза и репаративной регенерации миокарда. Сами эпителиоподобные клетки мезотелия эпикарда и их производные могут служить перспективным «инструментом» в тканевой инженерии и клеточной терапии. Однако, разработка технологий, основанных на использовании эпикарда или его клеток, требует углубленного изучения молекулярных и клеточных механизмов, регулирующих его функцию. С научной точки зрения остается малоизученным не только механизм активации ЭМП в эпикарде, а также возможности его контролировать. Кроме того, учитывая гетерогенность клеточного состава эпикарда, любое воздействие будет являться не узконаправленным, а воздействовать на все клеточные элементы «эпикардиальной ниши». В связи с этим усилия по созданию новых лечебных подходов и лекарственных соединений должны быть направлены на узкоспецифическое (таргетное) воздействие на клетки, обладающие наилучшим репаративным потенциалом.
Благодарности
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 19-29-04164.
ЛИТЕРАТУРА [REFERENCES]:
1. Miao C., Lei M., Hu W., Han S. et al. A brief review: the therapeutic potential of bone marrow mesenchymal stem cells in myocardial infarction. Stem Cell Res. Ther. 2017; 8(1): 242.
2. Padda J., Sequiera G.L., Sareen N., Dhingra S. Stem cell therapy for cardiac regeneration: hits and misses. Can. J. Physiol. Pharmacol. 2015; 93(10): 835-41.
3. Bearzi C., Rota M., Hosoda T. et al. Human cardiac stem cells. PNAS USA 2007; 104(35): 14068-14073.
4. Дергилев К.В., Рубина К.А., Парфенова Е.В. Резидентные стволовые клетки сердца. Кардиология 2011; 51(4): 84-92. [Dergilev K.V., Rubina K.A., Parfenova E.V. Resident Cardiac Stem Cells. Kardiologiia 2011; 51(4): 84-92].
5. Dergilev K., Tsokolaeva Z., Makarevich P. et al. C-Kit Cardiac Progenitor Cell Based Cell Sheet Improves Vascularization and Attenuates Cardiac Remodeling following Myocardial Infarction in Rats. Biomed. Res. Int. 2018; 2018: 3536854.
6. Hendrikx M., Fanton Y., Willems L. et al. From Bone Marrow to Cardiac Atrial Appendage Stem Cells for Cardiac Repair: A Review. Curr. Med. Chem. 2016; 23(23): 2421-38.
7. Дергилев К.В., Рубина К.А., Цоколаева 3.И. и др. Аневризма левого желудочка — возможный источник резидентных стволовых клеток сердца. Цитология 2010; 52(11): 921-30. [Dergilev K.V., Rubina K.A., Tsokolaeva Z.I. et al. Left Ventricular Heart Aneurism-A New Source of Resident Cardiac Stem Cells. Tsitologiia 2010; 52(11): 921-30].
8. van Berlo J.H., Kanisicak O., Maillet M. et al. c-kit+ cells minimally contribute cardiomyocytes to the heart. Nature 2014; 509(7500): 337-41.
9. Nair N., Gongora E. Stem cell therapy in heart failure: Where do we stand today? Biochim. Biophys. Acta. Mol. Basis Dis. 2019: 165489.
10. Manasek F.J. Embryonic development of the heart: II. Formation of the epicardium. J. Embryol. Exp. Morphol. 1969; 22(3): 333-48.
11. Gittenberger-de Groot A.C., Winter E.M., Bartelings M.M. et al. The arterial and cardiac epicardium in development, disease and repair. Differentiation 2012; 84(1): 41-53.
12. Niderla-BieliÑska J., Jankowska-Steifer E., Flaht-Zabost A. et al. Proepicardium: Current Understanding of its Structure, Induction, and Fate. Anat. Rec. 2019; 302(6): 893-903.
13. Nahirney P.C., Mikawa T., Fischman D.A. Evidence for an extracellular matrix bridge guiding proepicardial cell migration to the myocardium of chick embryos. Dev. Dyn. 2003; 227(4): 511-23.
14. Kwee L., Baldwin H.S., Shen H.M. et al. Defective development of the embryonic and extraembryonic circulatory systems in vascular cell adhesion molecule (VCAM-1) deficient mice. Dev. 1995; 121(2): 489-503.
15. Sengbusch J.K., He W., Pinco K.A., Yang J.T. Dual functions of a4ß1 integrin in epicardial development: Initial migration and long-term attachment. J. Cell Biol. 2002; 157(5): 873-82.
16. Pae S.H., Dokic D., Dettman R.W. Communication between integrin receptors facilitates epicardial cell adhesion and matrix organization. Dev. Dyn. 2008; 237(4): 962-78.
17. Wengerhoff S.M., Weiss A.R., Dwyer K.L., Dettman R.W. A migratory role for EphrinB ligands in avian epicardial mesothelial cells. Dev. Dyn. 2010; 239(2): 598-609.
18. Hirose T., Karasawa M., Sugitani Y. et al. PAR3 is essential for cyst-mediated epicardial development by establishing apical cortical domains. Dev. 2006; 133(7): 1389-98.
19. Li J., Miao L., Zhao C. et al. CDC42 is required for epicardial and proepicardial development by mediating FGF receptor trafficking to the plasma membrane. Dev. 2017; 144(9): 1635-647.
20. Gittenberger-de Groot A.C., Vrancken Peeters M.P.F.M., Bergwerff M. et al. Epicardial outgrowth inhibition leads to compensatory mesothelial outflow tract collar and abnormal cardiac septation and coronary formation. Circ. Res. 2000; 87(11); 969-71.
21. Perez-Pomares J.M., Carmona R., Gonzalez-Iriarte M. et al. Origin of coronary endothelial cells from epicardial mesothelium in avian embryos. Int. J. Dev. Biol. 2002; 46(8): 1005-13.
22. Poelmann R.E., Lie-Venema H., Gittenberger-de Groot A.C. The role of the epicardium and neural crest as extracardiac contributors to coronary vascular development. Tex. Heart Inst. J. 2002; 29(4): 255-61.
23. Rothenberg F., Hitomi M., Fisher S.A., Watanabe M. Initiation of apoptosis in the developing avian outflow tract myocardium. Dev. Dyn. 2002; 223(4): 469-82.
24. Schaefer K.S., Doughman Y.Q., Fisher S.A., Watanabe M. Dynamic patterns of apoptosis in the developing chicken heart. Dev. Dyn. 2004; 229(3): 489-99.
25. Lie-Venema H., van den Akker N.M.S., Bax N.A.M. et al. Origin, Fate, and Function of Epicardium-Derived Cells (EPDCs) in Normal and Abnormal Cardiac Development. Scientific World J. 2007; 7: 1777-98.
26. Pérez-Pomares J.M., Macias D., García-Garrido L., Muñoz-Chápuli R. Contribution of the primitive epicardium to the subepicardial mesenchyme in hamster and chick embryos. Dev. Dyn.1997; 210(2): 96-105.
27. Gittenberger-de Groot A.C., Vrancken Peeters M.P.F.M., Bergwerff M. et al. Epicardium-Derived Cells Contribute a Novel Population to the Myocardial Wall and the Atrioventricular Cushions. Circ. Res. 1998; 82(10): 1043-52.
28. Wu M., Smith C.L., Hall J.A. et al. Epicardial Spindle Orientation Controls Cell Entry into the Myocardium. Dev. Cell. 2010; 19(1): 114-25.
29. Merki E., Zamora M., Raya A. et al. Epicardial retinoid X receptor a is required for myocardial growth and coronary artery formation. PNAS USA 2005; 102(51): 18455-60.
30. Smart N., Risebro C.A., Melville A.A. et al. Thymosin ß4 induces adult epicardial progenitor mobilization and neovascularization. Nature 2007; 445(7124): 177-82.
31. Weeke-Klimp A., Bax N.A.M., Bellu A.R. et al. Epicardium-derived cells enhance proliferation, cellular maturation and alignment of cardiomyocytes. J. Mol. Cell Cardiol. 2010; 49(4): 606-16.
32. Mellgren A.M., Smith C.L., Olsen G.S. et al. Platelet-derived growth factor receptor ß signaling is required for efficient epicardial cell migration and development of two distinct coronary vascular smooth muscle cell populations. Circ. Res. 2008; 103(12): 1393-401.
33. Mikawa T., Gourdie R.G. Pericardial Mesoderm Generates a Population of Coronary Smooth Muscle Cells Migrating into the Heart along with Ingrowth of the Epicardial Organ. Dev. Biol. 1996; 174(2): 221-32.
34. Dettman R.W., Denetclaw Jr.W., Ordahl C.P., Bristowm J. Common Epicardial Origin of Coronary Vascular Smooth Muscle, Perivascular Fibroblasts, and Intermyocardial Fibroblasts in the Avian Heart. Dev. Biol. 1998; 193(2); 169-81.
35. Männer J. Does the subepicardial mesenchyme contribute myo-cardioblasts to the myocardium of the chick embryo heart? A quail-chick chimera study tracing the fate of the epicardial primordium. Anat. Rec. 1999; 255(2): 212-26.
36. Cai C.L., Martin J.C., Sun Y.L. et al. A myocardial lineage derives from Tbx18 epicardial cells. Nature 2008; 454(7200): 104-8.
37. Wessels A., van den Hoff M.J., Adamo R.F. et al. Epicardially derived fibroblasts preferentially contribute to the parietal leaflets of the atrioventricular valves in the murine heart. Dev. Biol. 2012; 366(2): 111-24.
38. Zhou B., von Gise A., Ma Q. et al. Genetic fate mapping demonstrates contribution of epicardium-derived cells to the annulus fibrosis of the mammalian heart. Dev. Biol. 2010; 338(2): 251-61.
39. Acharya A., Baek S.T., Huang G. et al. The bHLH transcription factor Tcf21 is required for lineage-specific EMT of cardiac fibroblast progenitors. Dev. 2012; 139(12): 2139-49.
40. Braitsch C.M., Combs M.D., Quaggin S.E., Yutzey K.E. Pod1/ Tcf21 is regulated by retinoic acid signaling and inhibits differentiation of epicardium-derived cells into smooth muscle in the developing heart. Dev. Biol. 2012; 368(2): 345-57.
41. Zhou B., Ma Q., Rajagopal S. et al. Epicardial progenitors contribute to the cardiomyocyte lineage in the developing heart. Nature 2008; 454(7200): 109-13.
42. Christoffels V.M., Grieskamp T., Norden J. et al. Tbx18 and the fate of epicardial progenitors. Nature 2009; 458(7240): E8-E9.
43. Red-Horse K., Ueno H., Weissman I.L., Krasnow M.A. Coronary arteries form by developmental reprogramming of venous cells. Nature 2010; 464(7288): 549-53.
44. Wu B., Zhang Z., Lui W. et al. Endocardial Cells Form the Coronary Arteries by Angiogenesis through Myocardial-Endocardial VEGF Signaling. Cell 2012; 151(5): 1083-96.
45. Katz T.C., Singh M.K., Degenhardt K. et al. Distinct compartments of the proepicardial organ give rise to coronary vascular endothelial cells. Dev. Cell. 2012; 22(3): 639-50.
46. Rudat C., Kispert A. Wt1 and epicardial fate mapping. Circ. Res. 2012; 111(2): 165-9.
47. Olivey H.E., Svensson E.C. Epicardial-myocardial signaling directing coronary vasculogenesis. Circ. Res. 2010; 106(5): 818-32.
48. Wessels A., Pérez-Pomares J.M. The epicardium and epicardially derived cells (EPDCs) as cardiac stem cells. Anat. Rec. 2004; 276A(1): 43-57.
49. Lavine K.J., Yu K., White A.C. et al. Endocardial and Epicardial Derived FGF Signals Regulate Myocardial Proliferation and Differentiation In Vivo. Dev. Cell. 2005; 8(1): 85-95.
50. Lavine K.J., White A.C., Park C. et al. Fibroblast growth factor signals regulate a wave of Hedgehog activation that is essential for coronary vascular development. Genes Dev. 2006; 20(12): 1651-66.
51. Pennisi D.J., Mikawa T. FGFR-1 is required by epicardium-derived cells for myocardial invasion and correct coronary vascular lineage differentiation. Dev. Biol. 2009; 328(1): 148-59.
52. Cavallero S., Shen H., Yi C. et al. CXCL12 Signaling Is Essential for Maturation of the Ventricular Coronary Endothelial Plexus and Establishment of Functional Coronary Circulation. Dev. Cell. 2015; 33(4): 469-77.
53. Lavine K.J., Long F., Choi K. et al. Hedgehog signaling to distinct cell types differentially regulates coronary artery and vein development. Dev. 2008; 135(18): 3161-71.
54. Chen T.H.P., Chang T.C., Kang J.O. et al. Epicardial Induction of Fetal Cardiomyocyte Proliferation via a Retinoic Acid-Inducible Trophic Factor. Dev. Biol. 2002; 250(1): 198-207.
55. Zhou B., Honor L.B., He H. et al. Adult mouse epicardium modulates myocardial injury by secreting paracrine factors. J. Clin. Invest. 2011; 121(5): 1894-904.
56. Limana F., Bertolami C., Mangoni A. et al. Myocardial infarction induces embryonic reprogramming of epicardial c-kit+ cells: Role of the pericardial fluid. J. Mol. Cell Cardiol. 2010; 48(4): 609-18.
57. Qian L., Huang Y., Spencer C.I. et al. In vivo reprogramming of murine cardiac fibroblasts into induced cardiomyocytes. Nature 2012; 485(7400): 593-8.
58. von Gise A., Pu W.T. Endocardial and epicardial epithelial to mesenchymal transitions in heart development and disease. Circ. Res. 2012; 110(12): 1628-45.
59. Smits A.M, Riley P.R. Epicardium-derived heart repair. Dev. Biol. 2014; 2(2): 84-100.
60. Lui K., Zangi L, Silva E. et al. Driving vascular endothelial cell fate of human multipotent Isl1 + heart progenitors with VEGF modified mRNA. Cell Res. 2013; 23(10): 1172-86.
61. Limana F., Zacheo A., Mocini D. et al. Identification of Myocardial and Vascular Precursor Cells in Human and Mouse Epicardium. Circ. Res. 2007; 101(12): 1255-65.
62. Russell J.L., Goetsch S.C., Gaiano N.R. et al. A dynamic notch injury response activates epicardium and contributes to fibrosis repair. Circ. Res. 2011; 108(1): 51-9.
63. van Wijk B., Gunst Q.D., Moorman A.F., van den Hoff M.J.B. Cardiac regeneration from activated epicardium. PloS One 2012; 7(9): e44692.
64. Smart N., Risebro C.A., Clark J.E. et al. Thymosin ß4 facilitates epicardial neovascularization of the injured adult heart. Ann. N.Y. Acad. Sci. 2010; 1194(1): 97-104.
65. Zangi L., Lui K.O., von Gise A. et al. Modified mRNA directs the fate of heart progenitor cells and induces vascular regeneration after myocardial infarction. Nat. Biotechnol. 2013; 31(10): 898.
66. Winter E.M., Grauss R.W., Hogers B. et al. Preservation of left ventricular function and attenuation of remodeling after transplantation of human epicardium-derived cells into the infarcted mouse heart. Circ. 2007; 116(8): 917-27.
67. Limana F., Esposito G., D'Arcangelo D. et al. HMGB1 attenuates cardiac remodelling in the failing heart via enhanced cardiac regeneration and miR-206-mediated inhibition of TIMP-3. PloS One 2011; 6(6): e19845.
68. Kikuchi K., Holdway J.E., Major R.J. et al. Retinoic acid production by endocardium and epicardium is an injury response essential for zebrafish heart regeneration. Dev. Cell. 2011; 20(3): 397-404.
69. Xiang F.L., Liu Y., Lu X. et al. Cardiac-specific overexpression of human stem cell factor promotes epicardial activation and arteriogenesis after myocardial infarction. Circ. Heart Fail. 2014; 7(5): 831-42.
70. Urayama K., Guilini C., Turkeri G. et al. Prokineticin recep-tor-1 induces neovascularization and epicardial-derived progenitor cell differentiation. Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 2008; 28(5): 841-49.
71. Smart N., Bollini S., Dube K.N. et al. De novo cardiomyocytes from within the activated adult heart after injury. Nature 2011; 474(7353): 640-4.
72. Bock-Marquette I., Shrivastava S., Pipes G.T. et al. Thymosin ß4 mediated PKC activation is essential to initiate the embryonic coronary developmental program and epicardial progenitor cell activation in adult mice in vivo. J. Mol. Cell Cardiol. 2009; 46(5): 728-38.
73. Sosne G., Qiu P., Christopherson P.L., Wheater M.K. Thymosin beta 4 suppression of corneal NFkB: A potential anti-inflammatory pathway. Exp. Eye. Res. 2007; 84(4): 663-9.
74. Bollini S., Vieira J.M.N., Howard S. et al. Re-activated adult epicardial progenitor cells are a heterogeneous population molecularly distinct from their embryonic counterparts. Stem Cells Dev. 2014; 23(15): 1719-30.
75. Sun-Wada G.H., Wada Y., Futai M. Vacuolar H+ pumping ATPases in luminal acidic organelles and extracellular compartments: common rotational mechanism and diverse physiological roles. J. Bioenerg. Biomembr. 2003; 35(4): 347-58.
76. Widera C., Horn-Wichmann R., Kempf T. et al. Circulating concentrations of follistatin-like 1 in healthy individuals and patients with acutecoronary syndrome as assessed by an immunoluminometric sandwich assay. Clin. Chem. 2009; 55(10): 1794-800.
77. El-Armouche A., Ouchi N., Tanaka K. et al. Follistatin-like 1 in chronic systolic heart failure: a marker of left ventricular remodeling. Circ. Heart Fail. 2011; 4(5): 621-7.
78. Tanaka K., Valero-Munoz M., Wilson R.M. et al. Follistatin-Like 1 Regulates Hypertrophy in Heart Failure With Preserved Ejection Fraction. JACC Basic Transl. Sci. 2016; 1(4): 207-21.
79. Oshima Y., Ouchi N., Sato K. et al. Follistatin-like 1 is an Akt-regulated cardioprotective factor that is secreted by the heart. Circ. 2008; 117(24): 3099-108.
80. Ogura Y., Ouchi N., Ohashi K. et al. Therapeutic impact of follistatin-like 1 on myocardial ischemic injury in preclinical models. Circ. 2012; 126(14): 1728-38.
81. Ouchi N., Asaumi Y., Ohashi K. et al. DIP2A functions as a FSTL1 receptor. J. Biol. Chem. 2010; 285(10): 7127-34.
82. Corda S., Mebazaa A., Gandolfini M.P. et al. Trophic effect of human pericardial fluid on adult cardiac myocytes: differential role of fibroblast growth factor-2 and factors related to ventricular hypertrophy. Circ. Res. 1997; 81(5): 679-87.
83. Iwakura A., Fujita M., Ikemoto M. et al. Myocardial ischemia enhances the expression of acidic fibroblast growth factor in human pericardial fluid. Heart Vessels 2000; 15(3): 112-6.
84. Yoneda T., Fujita M., Kihara Y. et al. Pericardial fluid from patients with ischemic heart disease accelerates the growth of human vascular smooth muscle cells. Jpn. Circ. J. 2000; 64(7): 495-8.
85. Sulaiman R.S., Merrigan S., Quigley J. et al. A novel small molecule ameliorates ocular neovascularisation and synergises with anti-VEGF therapy. Sci. Rep. 2016; 6(1): 25509.
86. Stankunas K., Ma G.K., Kuhnert F.J. et al. VEGF signaling has distinct spatiotemporal roles during heart valve development. Dev. Biol. 2010; 347(2): 325-36.
87. Porrello E.R., Mahmoud A.I., Simpson E. et al. Regulation of neonatal and adult mammalian heart regeneration by the miR-15 family. PNAS USA 2013; 110(1): 187-92.
88. Дергилев К.В., Цоколаева З.И., Белоглазова И.Б. и др. Интрамио-кардиальное введение резидентных C-KIT+-прогениторных клеток сердца вызывает активацию прогениторных клеток эпикарда и стимулирует васкуляризацию миокарда после инфаркта. Гены и клетки 2018; 13(1): 75-81. [Dergilev K.V., Tsokolaeva Z.I., Beloglazova I.B. et al. Intramiocardial administration of resident c-kit+ cardiac progenital cells activates epicardial progenitor cells and promotes myocardial vascularation after the infarction. Genes and Cells 2018; 13(1): 75-81].
89. Дергилев К.В., Цоколаева З.И., Белоглазова И.Б. и др. Сравнительная эффективность эпикардиальной трансплантации прогениторных клеток сердца в виде клеточных пластов и интрамиокардиальных инъекций при стимуляции регенеративных процессов в постинфарктном сердце. Кардиология 2019; 59(5): 53-60. [Dergilev K.V., Tsokolayeva Z.I., Beloglazova I.B. et al. Epicardial Transplantation of Cardiac Progenitor Cells Based Cells Sheets is More Promising Method for Stimulation of Myocardial Regeneration, Than Conventional Cell Injections. Kardiologiia 2019; 59(5): 53-60].
90. Menasche P. Cell therapy trials for heart regeneration — lessons learned and future directions. Nat. Rev. Cardiol. 2018; 15(11): 659-71.
91. Qin H., Zhao A., Zhang C., Fu X. Epigenetic Control of Reprogramming and Transdifferentiation by Histone Modifications. Stem Cell Rev. Rep. 2016; 12(6): 708-20.
92. Bargehr J., Ong L.P., Colzani M. et al. Epicardial cells derived from human embryonic stem cells augment cardiomyocyte-driven heart regeneration. Nat. Biotechnol. 2019; 37(8): 895-906.
